高级醇 · 代谢工程文献库

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Acetone-Butanol-Ethanol Production With High Productivity Using Clostridium acetobutylicum BKM19

作者
Yu-Sin Jang, Alok Malaviya, Sang Yup Lee
单位
Metabolic and Biomolecular Engineering National Research Laboratory, Department of Chemical and Biomolecular Engineering (BK21 Program), BioProcess Engineering Research Center, Center for Systems and Synthetic Biotechnology, Institute for the BioCentury, KAIST, Daejeon 305-701, Republic of Korea; BioFuelChem, Daejeon, Republic of Korea
杂志
Biotechnology and Bioengineering（2013）
DOI
10.1002/bit.24843
所属领域
发酵工程
关键词
Acetone-butanol-ethanol (ABE) fermentationButanol productivityCell recyclingClostridium acetobutylicumHigh cell density continuous fermentation
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解决的核心问题

传统ABE发酵受限于低溶剂滴度和低生产率，需要开发高产菌株和高效发酵工艺。

研究策略

通过NTG随机诱变和氟乙酸筛选获得ABE高产突变菌株BKM19；随后采用膜细胞循环生物反应器进行高细胞密度连续发酵，并优化稀释率和细胞放血速率。

研究路线图

核心问题：传统ABE发酵溶剂滴度低、生产率低
策略1：NTG随机诱变+氟乙酸筛选获得高产菌株BKM19
策略2：膜细胞循环生物反应器实现高细胞密度连续发酵
关键改造：优化稀释率（0.85→0.9 h⁻¹）与细胞放血速率（0.04 h⁻¹）
结果1：批式发酵ABE达32.5 g/L（产量比亲本高30.5%）
结果2：连续发酵丁醇生产率10.7 g/L/h、ABE 21.1 g/L/h（最高纪录）
结果3：连续发酵稳定运行935小时无菌株退化
结果4：产率0.34 g/g、比已报道最高值高1.9倍
结论：BKM19菌株+高细胞密度连续发酵工艺实现低成本高效ABE生产
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核心内容

针对传统丙酮-丁醇-乙醇（ABE）发酵溶剂滴度与生产率偏低的问题，该研究通过NTG随机诱变结合氟乙酸筛选，从产丁酸激酶缺失菌株PJC4BK出发获得ABE高产突变株BKM19，并进一步采用膜细胞循环生物反应器进行高细胞密度连续发酵，系统优化了稀释率与细胞放血速率。批式发酵中，BKM19从85.2 g/L葡萄糖生成32.5 g/L ABE（丁醇17.6 g/L），产量较亲本提高30.5%，较野生型ATCC 824提高90.5%，产率达0.38 g/g葡萄糖。在连续发酵中，当稀释率为0.9 h⁻¹且放血速率为0.04 h⁻¹时，丁醇和ABE体积生产率分别达到10.7和21.1 g L⁻¹ h⁻¹，为当时报道的最高值，较此前最高水平提升近1.9倍，且该工艺可稳定运行935小时无退化。结果表明，该菌株与高细胞密度连续发酵工艺的组合可显著提升ABE生产强度与长期稳定性，为低成本工业化溶剂生产提供了可行方案。

创新点

1. 分离获得ABE高产突变株BKM19，批式发酵ABE产量达32.5 g/L；2. 在高细胞密度连续发酵中，通过细胞循环和放血操作，丁醇和ABE体积生产率分别达到10.7和21.1 g/L/h，为当时报道的最高值；3. 证明了BKM19在连续发酵中可稳定运行935小时而无菌株退化。

研究对象（4）

底盘细胞代谢通路基因蛋白功能说明
Clostridium acetobutylicum BKM19 ABE发酵途径 — — — 通过NTG诱变和氟乙酸筛选获得的ABE高产突变株
Clostridium acetobutylicum PJC4BK 丁酸生成途径 buk 丁酸激酶 催化 母本菌株，buk基因失活减少丁酸生成
Clostridium acetobutylicum BKM19 酸/溶剂转化途径 ctfAB CoA转移酶 催化 编码CoA转移酶，测序未发现突变
Clostridium acetobutylicum 乙酸生成途径 pta/ack 磷酸转乙酰酶/乙酸激酶 催化 参与氟乙酸转化为氟乙酰CoA，与突变筛选抗性相关

关键发现

  1. BKM19菌株在批式发酵中从85.2 g/L葡萄糖产生32.5 g/L ABE（丁醇17.6 g/L、乙醇10.5 g/L、丙酮4.4 g/L），ABE产量比亲本PJC4BK高30.5%（24.9 g/L），比野生型ATCC 824高90.5%（17.1 g/L）
  2. ABE产率为0.38 g/g葡萄糖。在膜细胞循环连续发酵中，稀释率0.85 h-1时丁醇和ABE体积生产率分别为9.6和20.0 g L-1 h-1
  3. 在稀释率0.9 h-1且放血速率0.04 h-1（D1=0.86, D2=0.04）时，丁醇和ABE生产率达到最高10.7和21.1 g L-1 h-1，产率分别为0.17和0.34 g/g。该ABE生产率是已报道的最高值，比此前最高值（11.0 g L-1 h-1）高1.9倍，比生物膜反应器的16.2 g L-1 h-1高1.3倍。连续发酵可稳定运行935小时（约39天）无退化。

研究结论

通过随机诱变获得ABE高产菌株BKM19，并结合高细胞密度连续发酵与细胞放血优化，实现了迄今最高的丁醇和ABE体积生产率，且发酵长期稳定，表明该菌株和工艺可望用于低成本溶剂生产。

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